Моделирование взаимодействия грунта с подземным трубопроводом

[TeresaTheSmile 3]

Здравствуйте товарищи! При моделировании трубопровода пластинчатыми элементами: 

1) Можно ли моделировать грунт пружинами (в частности spring/damper to ground) в каждом узле? 

2) Если да, то как определять их жёсткости?

3) В какой системе координат строить?

4) Нужно ли для каждого участка вводить локальную СК?

[Fedor 1 597]

Проще нормальными трехмерными. Или через них определить требуемую жесткость для пружинок.  http://www.pinega3.narod.ru/mg/mg.htm   :)

[TeresaTheSmile 3]

3 часа назад, Fedor сказал:

Проще нормальными трехмерными. Или через них определить требуемую жесткость для пружинок.  http://www.pinega3.narod.ru/mg/mg.htm   :)

Все же интересует как рассчитать жёсткость пружин, не прибегаю к моделированию самого грунта. Но спасибо за совет!

[Fedor 1 597]

Так можете по приведенным формулам в статье и посчитать требуемую жесткость.  Приложите для достаточно протяженной вытянутой области например метровой ширины распределенную нагрузку. Найдете величину перемещения. Требуемая жесткость пружинки будет F/u.   Аналогично можно найти и горизонтальные жесткости. Есть же фундаментальные решения для полупространства при любом расположении и направлении силы. Проинтегрируйте как в статье по интересуемой области и все дела :)   

Вам надо, чтобы при приложенной аналогичной силой пружинки давали такое же перемещение как дает решение на полупространстве. Можете попробовать и по формулам СП об основаниях и фундаментах  подобрать жесткости. Принцип тот же. При приложенной погонной силе иметь одинаковые перемещения.

Изменено 10 сентября 2017 пользователем Fedor

[Fedor 1 597]

Можно совсем по простому осадку получить как это в машиностроении для болтов делается. Считать что по треугольнику влияние в глубину распространяется. И через кусочно-постоянную аппроксимацию оценить осадку при приложенной силе.  При этом где-то остановиться когда напряжения сжатия в слое будут несколько процентов от начальных :)

[TeresaTheSmile 3]

34 минуты назад, Fedor сказал:

Можно совсем по простому осадку получить как это в машиностроении для болтов делается. Считать что по треугольнику влияние в глубину распространяется. И через кусочно-постоянную аппроксимацию оценить осадку при приложенной силе.  При этом где-то остановиться когда напряжения сжатия в слое будут несколько процентов от начальных :)

Больше спасибо за совет! Пожалуй, я так и поступлю, как Вы рекомендуете!

[kolo666 253]

23 часа назад, TeresaTheSmile сказал:

Можно ли моделировать грунт пружинами (в частности spring/damper to ground) в каждом узле

"Грунт является материалом, который сопротивляется сжатию и практически не сопротивляется напряжению" Федор

Элемент Sping/Damper, он же CBUSH(искать в справке) работает с одной жесткостью как на сжатие, так и на растяжение. 

23 часа назад, TeresaTheSmile сказал:

3) В какой системе координат строить?

В какой вам надо, в той и строить)

23 часа назад, TeresaTheSmile сказал:

4) Нужно ли для каждого участка вводить локальную СК?

Зависит от задачи..

А вообще, можете воспользоваться API Create Grounded CBUSH Elements, перед этим создайте свойство элемента, где необходимо указать жесткости по направлениям в соответствующей системе координат:

 

 

Ну либо вручную их создавать, опять же, зависит от постановки задачи и количества элементов.

 

 

23 часа назад, TeresaTheSmile сказал:

Можно ли моделировать грунт пружинами (в частности spring/damper to ground) в каждом узле?

Если предположить, что вся эта ситуация нормальна, то наверное лучше посмотреть в сторону элемента GAP, который как раз может иметь определенную жесткость на сжатие, и нулевую на растяжение.

API Compression Only Gaps, кстати, помимо всех прелестей, в автомате создаст локальные системы координат для каждого элемента. При решении в линейной постановке необходимо в настройках анализа поставить галочку напротив Gaps as Contact, иначе он будет работать как обычная пружина. При этом стоит отметить, что в линейной постановке элемент работает как контактный, т.е. имеет очень большую жесткость на последней итерации, во избежания проникновения в глубину (цифру осевой жесткости которую надумаете вбивать в настройках элемента фемап будет игнорировать). Вам это не подходит, но все же. 

В вашем случае придется использовать функционал нелинейной постановки, где уже фемап подхватит следующие параметры:

Надеюсь, что чем то помог!

 

Изменено 10 сентября 2017 пользователем kolo666

[kolo666 253]

16 минут назад, kolo666 сказал:

использовать функционал нелинейной постановки

Под этим я имею ввиду как минимум 106 решатель NoLiner Static Analysis)

А это я просто оставлю здесь, для кругозора:

http://www.predictiveengineering.com/sites/default/files/spring_element_best_practice.pdf

Изменено 10 сентября 2017 пользователем kolo666

[Fedor 1 597]

""Грунт является материалом, который сопротивляется сжатию и практически не сопротивляется напряжению" Федор " - Если заранее известно, что он всегда в сжатии, как обычно бывает при вертикальной весовой нагрузке, то линейная постановка подходит без проблем. Правда еть ньюансы когда сначала выкапывают котлован, происходит разгрузка грунта и последующее нагружение уже с другим модулем, который дают геологи. В 5-10 раз больше начального :)

А если учесть давление атмосферного столба, на что никто мне не ответил из грунтоведов, то сжатие практически  в широком диапазоне  нагрузок :)

Изменено 11 сентября 2017 пользователем Fedor

[Fedor 1 597]

Есть помимо атмосферного давления и водяное. Например если строить платформы или тоннели под водой то грунт там в сжатом состоянии практически всегда...

[TeresaTheSmile 3]

Большое спасибо товарищи за советы и рекомендации! Очень рад тому, что всегда тут можно найти помощь среди коллег и единомышленников! Будем пробовать и тестировать различные подходы. Еще раз всем спасибо!

[kolo666 253]

@TeresaTheSmile Не Ваша работа случаем висела на стенде ХХ конференции MSC?)

"Использование конечно-элементного комплекса MSC Patran - Nastran для расчета тоннельной обделки с применением односторонних связей."

М.Р. Миллер

 

Труба.rar

[TeresaTheSmile 3]

В 27.10.2017 в 20:15, kolo666 сказал:

@TeresaTheSmile Не Ваша работа случаем висела на стенде ХХ конференции MSC?)

"Использование конечно-элементного комплекса MSC Patran - Nastran для расчета тоннельной обделки с применением односторонних связей."

М.Р. Миллер

 

Труба.rar

Нет, я с эти никак не связан)

[Victor_M 30]

 в любом учебнике (в том числе и в российских учебниках) - на первых страницах написано примерно одно и тоже:

 

Грунт, является существенно нелинейной средой с самого начала до деформирования, 
упругие деформации грунта ничтожно малы, поэтому ими - упругими деформациями следует пренебрегать....

 

так что идея про использования "пружинок" (тем более имеющих линейные характеристики) вместо грунтового массива - "не корректна" в принципе...

 

применение контактов при решении задач взаимодействия грунтов и "сооружения" (в данном случае трубы) - бессмысленна в принципе, так как наличие контактов ничего не даст ..... , скорее всего их наличие еще ухудшит математическую модель....

 

корректное описание поведения грунтов - даже для "простых" грунтов - задача сложная, требующая понимания механики грунтов, понимания как именно работает грунт в каждом "характерном" сегменте расчетной области - что бы "подстраивать" константы уравнений к параметрам каждого напряженно-деформированного сегмента .... 

 

написание собственных уравнений состояния, в дополнение к "стандартным" уравнения состояния - далеко не всегда "помогает"....., ввиду сложности мат.моделей и трудности проведения натурных экспериментов

 

в настоящее время, предлагаемые уравнения состояния грунтов - не являются универсальными и могут применяться более-менее успешно лишь в довольно узких диапазонах нагружения

 

следует так же помнить, что грунты , особенно водонасыщенные - имеют "активную" пластичность, даже при нагрузках небольшой интенсивности

 

ну и так далее....

 

особенно "сложными" являются задачи геомеханики где речь идет о водонасыщенных грунтах, или сопряженные задачи - где решаются прочность и фильтрация...

 

в частности, весьма интересной является задача о всплытии трубы/резервуара в грунте, где повысился уровень грунтовых вод.

Изменено 8 ноября 2017 пользователем Victor_M

[Victor_M 30]

опечатка:
следует так же помнить, что грунты , особенно водонасыщенные - имеют "активную" ползучесть ( а не пластичность) , даже при нагрузках небольшой интенсивности нагрузок

Изменено 8 ноября 2017 пользователем Victor_M

[Fedor 1 597]

Если это так, то зачем геологи дают модуль деформаций связность и угол внутреннего трения ?  А у Флорина в Механике грунтов приводится формула из теории упругости ? Правда с опечатками. Правильная тут - http://www.pinega3.narod.ru/mg/mg.htm  . В бетоне, который тоже ползет, вполне ползучесть учитывают с помощью коэффициента ползучести. Ну а распределение напряжений в условиях малых деформаций. Лично считал подъемы в метро при  отрытии котлована для https://www.google.ru/maps/uv?hl=ru&pb=!1s0x4696300b479ce881:0x61825bd6ed37c125!2m22!2m2!1i80!2i80!3m1!2i20!16m16!1b1!2m2!1m1!1e1!2m2!1m1!1e3!2m2!1m1!1e5!2m2!1m1!1e4!2m2!1m1!1e6!3m1!7e115!4shttp://www.citywalls.ru/house27701.html!5z0YTQvtGA0YIg0LPRgNGD0L_QvyDRjdC70LXQutGC0YDQvtGB0LjQu9CwIC0g0J_QvtC40YHQuiDQsiBHb29nbGU&imagekey=!1e1!2shttp://p0.citywalls.ru/photo_264-271236.jpg?mt%3D1484152441&sa=X&ved=0ahUKEwiG2v2fzq_XAhUpKpoKHX1WAcwQoioIdzAK   этого сарайчика и осадок после строительства. Все достаточно точно, если брать модуль разгрузки 5-6 E  геологов как и рекомендуется у Тер-Мартиросяна. Соответственно и нагружения  :)  

[Борман 2 375]

Такого 

3 часа назад, Victor_M сказал:

следует пренебрегать

 

3 часа назад, Victor_M сказал:

"не корректна" в принципе...

 

3 часа назад, Victor_M сказал:

бессмысленна в принципе

в учебниках не пишут в принципе.

Использование нелинейных грунтовых пружин на трубе-балке - это очень хорошее приближение, и вполне годится для целей проектирования. Проектных нагрузок, которые приводили бы к пластической деформации грунта на больших масштабах, нет. Всякие выкрутасы типа тектонических разломов и оползней - это, понятно, только в трехмере... но и то... еще в 2015 году одна не совсем глупая контора http://vniigaz.gazprom.ru/activities/scientific/gts-control/ писала рекомендации, как тектонический разлом побороть пружиной.

Так что, для описания грунта как массива - пружин, конечно, недостаточно. А для описания взаимодействия грунта с трубой - нормально. Другое дело, что классические подходы к определению жестквти грунтовых пружин не всегда справедливы. Срывание покровов здесь...

[Victor_M 30]

упомянутых Вами авторов знаю много лет лично....
Вы бы не обложку книги показывали, а то что там написано?
такая книжка стоит у меня в шкафу уже много лет ...
ничего полезного в этой книжке нет, кроме цветных красивых картинок
писалась она еще в ту пору, когда авторы осваивали LS-DYNA

Что касается "проектных" нагрузок:  даже "небольшой" сдвиг/перемещение грунта - весьма опасен для трубопроводов ...

разного рода попытки систематизировать информацию о взаимодействии труб с грунтовыми массивами и таким образом получить какие-то "универсальные" зависимости для использования этих зависимостей при задании свойств "пружин" - не принесли желаемого результата, ибо свойства грунтов, глубина залегания трубопроводов , внешние/внутренние усилия - какой-либо систематизации не поддаются

 

есть много статей посвященных этим задачам - в том числе и попыток хотя бы как-то = пусть в упрощенном виде смоделировать взаимодействие грунтов с трубопроводами - используя "простейшие" КЭ и главное избежать моделирования грунтов 3-х мерными КЭ, а так же избежать "возни" со свойствами грунтов - заменяя их какими-то "универсальными" характеристиками = но все эти статьи больше опровергают такую возможность, нежели её доказывают

 

кстати, почти все трубопроводы - это тонкие оболочки - таково соотношение диаметра/радиуса к толщине труб - даже только поэтому - рассматривать трубы как балочные КЭ нельзя.

Изменено 8 ноября 2017 пользователем Victor_M

[Fedor 1 597]

" главное избежать моделирования грунтов 3-х мерными КЭ, а так же избежать "возни" со свойствами грунтов - заменяя их какими-то "универсальными" характеристиками " - нормальными трехмерными не проблема в наше время смоделировать. Вопрос ведь в том, что хотим получить. Осадки - так можно и пружинками. Напряжения можно и на полупространстве  без проблем. При ползучести напряжения же не меняются по определению ползучести :)

[Victor_M 30]

39 минут назад, Борман сказал:

Использование нелинейных грунтовых пружин на трубе-балке - это очень хорошее приближение, и вполне годится для целей проектирования.

откуда такое мнение ?

ведь очевидно, что трубу ни при каких условиях нельзя рассматривать как балку!

хотя проектировщикам наверно такая "мысль" понравится.. - ибо бы побыстрее и попроще... "ну что бы не заморачиваться"...